多路无线报警系统方案设计书.docx
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多路无线报警系统方案设计书
一：
需求规格说明.................................1
1.1无线防盗报警系统的需求概述……………………………………………………1
1.2无线防盗报警系统的需求要点………………………………………………1
1.3术语定义…………………………………………………………………..1
1.4问题范围…………………………………………………………………….2
二：
需求分析。
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2.1划分主题。
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2.2确定属性。
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2.3识别继承关系。
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2.4建立动态模型。
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2.5状态图。
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2.6基本系统模型图的建立。
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2.7功能级数据流图的建立。
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2.8系统问题域子系统结构。
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2.9ATM程序路径设计。
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三：
源代码。
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第一章无线报警系统概述
随着生活素质的改善，人们对家居的财产、人身的安全的要求也越来越高，安防系统不再只限于防盗，而且能做到防劫、防火，以及即时解决突发事件。
原始的家居安防模式是由铁门、铁链、铁栏杆等组成，称为被动式防盗，这是安防系统的雏型。
随着社会的进步，科学的发展，这种被动式安防系统已不能满足人们的要求，于是出现了由电子探测器、探头等报警终端通过有形的通信线路，如双绞线、电缆等连接报警中心所组成的安防系统，这种方式称为主动防盗。
这种主动安防较之被动安防有很大的进步。
无论是从结构简洁，还是成本低廉，甚至是美观上都优于被动式安防系统。
所以，这种主动式安防系统已不仅仅用于防盗，在其他领域都起到了安全防范的作用。
但是，科学技术的不断进步，电子技术的日趋成熟，特别是Internet的发展，通信和集成电路技术的交叉发展，这种有线的安防系统显然也已落伍了。
采用有线的方式连接报警探头和报警主机，由于受传输距离、环境、可变性等多种因素的制约，局域性很强，而且这种安防系统存在着很大的漏洞，例如一个采用电话线连接的电话报警系统，入侵者只要割断电话线就可以让整个系统形同虚设，不能工作。
此时，人们把传感技术和无线通信技术引入安防领域，为安防系统向无线发展提供了强有力的技术支持。
无线报警系统利用无线报警探头或传感器等作为报警终端，免去了电缆的束缚,改善了屋内的环境，对于系统的施工也提供了很大的方便。
无线报警系统，可以实现一点与多点之间的信息交流，系统特别利用无线信息发送、接收的方式使整个报警过程更加隐蔽，更加可靠。
无线报警系统概念一经提出，就得到了迅速的发展，不仅在居家安全领域，在其他领域，如医疗监护、工业生产、商业活动，甚至是在科学实验等领域都得到很好的应用，所以，未来的安防方向将是：
无线报警系统。
第二章无线报警系统的技术支持
2.1传感技术
2.1.1传感技术及传感器概述
传感器（transducer或sensor）是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。
过去人们习惯地把传感器仅作为测量工程的一部分加以研究，但是自六十年代以来，随着材料科学的发展和固体物理效应的不断发现，目前传感器技术已形成了一个新型科学技术领域，建立了一个完整的独立科学体系－－传感器工程学。
传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，它是检测（传感）原理、材料科学、工艺加工等三个要素的最佳结合。
检测（传感）原理指传感器工作时所依据的物理效应、化学反应和生物反应等机理，各种功能材料则是传感技术发展的物质基础，从某种意义上讲，传感器也就是能感知外界各种被测信号的功能材料。
传感技术的研究和开发，不仅要求原理正确，选材合适，而且要求有先进、高精度的加工装配技术。
除此之外，传感技术还包括如何更好地把传感元件用于各个领域的所谓传感器软件技术，如传感器的选择、标定以及接口技术等。
总之，随着科学技术的发展，传感技术的研究开发范围正在不断扩大。
2.1.2传感器的组成和分类
传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源，用方块图表示，如图所示。
敏感元件
转换元件
测量电路
辅助电源
非电量
电量
图1传感器的组成方块图
敏感元件（预变换器）：
在完成非电量到电量的交换，并非所有的非电量都能利用现有手段直接变换成电量，往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再变换为电量。
能够完成预变的器件称为敏感元件，又称预变换器。
如在传感器中各种类型的弹性元件常被称为敏感元件，并统称为弹性敏感元件。
转换元件：
将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件，例如压电晶体、热电偶等。
需要指出的是，并非所有的传感器都包括敏感元件和转换元件。
如热敏电阻、光电器件等；而另外一些传感器，其敏感元件和转换元件可合而为一，如故态阻式压力传感器等。
测量电路：
将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。
测量电路的类型视转换元件的分类而定，经常采用的有电桥电路，及其它特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、振荡回路等。
传感器的种类很多，目前尚没有统一的分类方法，一般常采用的分类方法有如下几种：
（1）按输入分类
如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度、湿度等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、湿度传感器等、这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据测量对象选择所需要的传感器。
（2）按测量原理分类
现有传感器的测量原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。
如根据变电阻的原理，相应的有电位器式、应变式传感器；根据变磁阻的原理，相应的有电感式、差动变压器式、电涡流式传感器；根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏等故态传感器。
此外，传感器通常也可按结构型和物性型分类。
所谓结构型传感器，主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测信号，这种传感器目前应用得最为普遍。
物性型传感器则是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量。
它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的故态器件。
2.1.3实例：
热释电传感器
热释电传感器SD02，其外形如图2所示，内部结构如图3所示。
传感器由敏感元、场效应管、高阻电阻等组成，并向壳内充入氮气封装起来。
图2热释电传感受器的外型图3热释电传感器的内部结构
（1）敏感元
敏感元用红外热释电材料焅钛酸铅（PZT）制成，当外加电场消除后，PZT仍然保持极化状态，即它存在自发极化，自发极化强度Ps随温度T升高而下降。
制作敏感元件时，将热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极，构成两个串联的有极性的小电容。
因此，温度变化时，其输出的热释电信号也具有极性，把两个极性相反的热释电敏感元做在同一晶片上，这样，由于温度的变化影响整个晶片产生温度变化时，
两个敏感元产生的热释电信号互相抵消，起到补偿作用。
使用热释电传感器时，前面要安装菲涅尔透镜，外来红外辐射通过透镜仅会聚光于一个敏感元上，它产生的信号不会被抵消。
热释电传感器的特点是它只在由于外界的辐射而引起它本身的温度变化时，才会给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后就再没有信号输出，即热释电信号与它本身的温度的变化率成正比。
因此，热释电传感器只对运动的人体或物体敏感。
（2）场效应管及高阻值电阻Rg
敏感元的阻值可达1013Ω，因此需用场效应管进行阻抗变换才能应用。
场效应管常用2SK303V3，2SK94X3等型号，用来构成源极跟随器。
高阻值电阻Rg的作用是释放栅极电荷，使场效应管安全正常工作，源极输出接法时，源极电压约0.4-1.0V。
传感器内部接线图如图4所示。
图4传感器的内部连接图
（3）滤光片（FT）
PZT制成的敏感元件是一种广谱材料，能探测各种波长辐射。
为了使传感器对人体最敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，传感器采用了滤光片作窗口。
滤光片是在Si基片上镀多层膜制成的。
每个物体都能发出红外辐射，其辐射最长的波长满足维恩位移定律：
对于人体体温（约36℃），其辐射的最长波长为:
λm=2898/309=9.4μm
也就是说，人体辐射在9μm处最强，红外滤波片选取了7.5--14μm波段，能有效地选取人体的红外辐射。
红外滤光片透射曲线如图5所示。
图5红外滤光片的穿透曲线
由图可见，小于6.5μm的光锐减至0，6.5--15.0μm的辐射，其透射率达60％以上，因此，FT可以有效地防止、抑制电灯、太阳光的干扰，但对电灯发热引起的红外辐射光有时也能产生误动作。
热释电传感器不仅用于防盗报警，也可用于自动门、自动灯等。
2.2短距离无线通信技术
2.2.1蓝牙技术
（1）蓝牙简介
爱立信在1994年开始研究一种能使手机与其附件（如耳机）之间互相通信的无线模块，4年后，爱立信、诺基亚、IBM等公司共同推出了蓝牙技术，主要用于通信和信息设备的无线连接。
蓝牙工作频率在2.4GHZ，有效范围大约在10m半径内。
在此范围内，采用蓝牙技术的多台设备，如手机、微机、激光打印机等能够无线互联，以约1mb/s的速率相互传递数据，并能方便的接入互联网。
随着蓝牙芯片价格和耗电量的不断降低，蓝牙已成为许多高端PDA和手机的必备功能。
（2）蓝牙的系统结构及网络结构
整个蓝牙系统结构可由底层硬件模块、中间协议层和应用层三部分组成。
蓝牙底层模块由基带层（BB）、链路管理层（LM）和射频层（RF）构成。
RF主要负责射频处理和基频调制；BB负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输；LM负责连接的建立、拆除及链路的安全和控制。
上层软件模块不能和底层硬件模块直接连接，两个模块接口之间的消息和数据通过主机控制接口（HCI）的解释才能进行传递。
HCI实际上相当于蓝牙协议中软硬件之间的桥梁，它提供了一个调用下层BB、LM、状态和控制寄存器等硬件的统一命令接口。
中间协议层包括逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）、服务发现协议（SDP）、串口仿真协议（RFCOMM）等。
最上层是应用层，对应于各种应用程序。
蓝牙支持点对点和点对多点通信方式。
主动发出连接请求的设备称为主设备（Master），被动接受连接的设备称为从设备（Slave）。
一个主设备和一个或一个以上的从设备所组成的网络称为主从网络或微微网（Piconet），它是蓝牙网络的基本单元，一个主设备最多可以同时与7个处于激活（Active）状态的从设备互相传递数据，当从设备只与网络保持同步而不传递数据时，此从设备便处于休眠（Park）状态，此时在一个微微网中最多可以容纳256个从设备。
在微微网内部所有的设备共享网络的1Mbit/s的传输速率，因此当有更多的从设备加入微微网，每个从设备所分配到的传输速率也就随之下降，对此可以通过多个微微网共存一个区域来解决，在一个区域内的多个微微网便构成了一个分散网络（Scatternet）。
每一个微微网内的所有设备均使用同一个跳频序列，微微网不同所用的跳频序列也不同，因而根据不同的跳频序列便可区分不同的微微网。
在分散网络中，一个微微网中的主设备可以是其它网络的从设备。
如图6。
其中，设备1既是微微网2的从设备又是微微网1的主设备，同时，微微网1与微微网3共享设备3，这样，对于微微网中的设备不仅单独有1Mb/s的传输速率，还可能与其他网络中的设备进行通信，但应当注意的是当此设备处于激活状态时，只能选择加入其中的某一个网络，为了不造成网络之间严重的干扰，一个分散网络中可允许同时存在10个微微网。
图6分散网络
（3）蓝牙技术的应用
作为一种电缆替代技术，蓝牙具有低成本高速率的特点，它可把内嵌有蓝牙芯片的计算及、手机和多种便携通信终端互联起来，为其提供语音和数字接入服务，实现信息的自动交换和处理。
蓝牙技术的应用主要有以下3类：
ⅰ）语音/数据接入是指将一台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备上，完成与广域网的连接
ⅱ）外围设备互联是指将各种设备通过蓝牙链路连接到主机上
ⅲ）个人局域网（PAN）主要用于个人网络与信息的共享与交换。
2.2.2Wi-Fi（802.11）技术
Wi--Fi（WirelessFidelity）也是一种无线通信协议，正式名称是IEEE802.11b，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。
Wi--Fi速率最高可达11Mb/s。
虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100m左右，不用说家庭、办公室，就是小一点的整栋大楼也可使用。
Wi—Fi也是一种基于802.11b.802.11a以及尚未最后形成的802.11g标准的无线网络技术，它可便于用户实现无线接入和共享网络资源，802.11b是IEEE制定的一种无线局域网络标准，它能在2.4GHZ的频率上使用DSSS（DirectSequenceSpread）无线电传输方式,提供1Mbps、2mbps、5.5Mpbs和11mbps等多重传输速率进行数据传输（传输速度受距离和环境影响）。
Wi--Fi的网络组成一般是由无线网卡和接入点AP（AccessPoint）两部分组成，只需安装无线接入点，并在每台笔记本电脑上插入无线网卡构造一个无线局域网，就可以在家里或办公室中的每一个角落轻松的无线上网。
Wi--Fi网络利用的是无绳电话等设备所使用的公共信道，只要有一个接入点和一个高速互联网连接，在其周围数百M的距离内就架设了一个Wi--Fi网络。
Wi--Fi是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约11Mb/s的速度接入Web。
但实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，Wi--Fi的连接速度一般将只有几百kb/s。
Wi--Fi的信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。
Wi--Fi技术的最具诱惑力的方面在于将Wi--Fi与基于XML或Java的Web服务融合起来之后，可以大幅度减少企业的IT成本。
例如，许多企业选择在每一层楼或每一个部门配备802.11b的接入点，而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。
这样一来，可以节省大量铺设电缆所需花费的资金。
更多新的Wi--Fi标准正在制定之中。
速度更快的802.11g使用与802.11b相同的正交频分多路复用调制技术。
他工作在2.4GHz频段，速率达54Mb/s。
比目前通用的802.11b快了5倍。
802.11g标准本质上扩展了802.11b在2.4GHz频段的性能。
通过使用OFDM技术，获得了54Mb/s的高速，并且完全向后兼容802.11b，他将最终取代802.11a。
802.11g虽然还在草稿阶段，但是根据最近国际消费电子产品的发展趋势判断，802.11g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。
2.2.3IrDA和UWB
红外线数据协会IrDA成立于1993年，是致力于建立红外线无线连接的非营利组织。
起初，采用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115.2kb/s速率传输数据，很快发展到4Mb/s的速率，后来，速率又达到16Mb/s。
IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，他也许是第一个实现无线个人局域网的技术。
目前他的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA、手机上广泛使用。
事实上，当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。
IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。
他还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。
由于数据传输率较高，适于传输大容量的文件和多媒体数据。
此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。
IrDA的不足在于他是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于2台（非多台）设备之间的连接。
而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。
IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。
超宽带技术UWB是另一个新发展起来的无线通信技术。
UWB通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。
窄脉冲（小于1ns）产生极大宽带的信号。
脉冲采用脉位调制或二进制移相键控调制。
UWB被允许在3.1--10.6GHz的波段内工作。
他主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。
除此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高的LANs或PANs。
军事部门已对UWB进行了多年研究，开发出了分辨率极高的雷达。
直到2004年2月14日，美国FCC才准许该技术进入民用领域。
所以对于商业和消费领域，UWB还是新鲜事物。
但据报道，一些公司已开发出UWB收发器，用于制造能够看穿墙壁、地面的雷达和图像装置，这种装置可以用来检查道路、桥梁及其他混凝土和沥青结构建筑中的缺陷，可用于地下管线、电缆和建筑结构的定位。
另外，在消防、救援、治安防范及医疗、医学图像处理中都大有用武之地。
UWB的一个非常有前途的应用是汽车防撞系统。
戴姆勒克莱斯勒公司已经试制出用于自动刹车系统的雷达。
在不久的将来，这种防撞雷达将成为高级汽车的一个选件。
UWB最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网。
考察现有的无线通信方式，802.11b和蓝牙的速率太慢，不适合传输视频数据；54Mb/s速率的802.11a标准可以处理视频数据，但费用昂贵。
而UWB有可能在10m范围内，支持高达110Mb/s的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。
第三章无线报警系统设计的具体实例
3.1基于蓝牙技术的无线医疗监护系统
3.1.1实现无线医疗监护系统的技术选择
医学临床监护技术就是把患者的各种重要生命体征及时、准确地提取出来进行处理、分析，帮助医护人员对患者病情进行监测和防护的技术。
在现有医疗监护系统中，患者身上佩戴的传感器采集的数据多通过串口电缆传送到PC上或通过串口联网服务器到局域网上。
由于所检测的信号大多是人体信号，而人体处于自然状态时信号才能够真实地反应其生理状况。
因此将检测设备通过有线方式连到人体上进行监测的传统方法会使患者感觉受到束缚，无法放松心情，从而导致所检测到的数据不准确。
特别在病房里，各种连线不仅使病人感到不适，而且还使病房显得杂乱无章，影响医护人员的工作效率。
因此医疗单位希望以一种低成本、高可靠性的无线传输方案来代替传统的有线方式。
蓝牙技术具有微功率、抗干扰能力强、组网灵活等特点，是实现无线医疗监护系统的理想选择。
蓝牙技术应用于医疗监护的优势
本系统中采用蓝牙技术替代传统的有线连接,主要是基于以下几点考虑：
（1）蓝牙无线链路替代串行电缆,实现透明数据传输是蓝牙的典型应用之一,此技术已经成功地应用在蓝牙抄表，门禁等到系统中.
（2）蓝牙具有稳定可靠的多点接入能力。
在一间病房里放置一个蓝牙接入点（AP）作为微微网中的主设备，配备了蓝牙芯片的传感器（以下简称蓝牙终端，BT）作为微微网的从设备，即可同时采集最多7位患者的生理信息数据.由于采用了快速跳频和FEC纠错码等技术,蓝牙具有很高的抗干扰能力。
实验表明，即使周围有微波炉或802.11b设备这样的同频段干扰源存在,蓝牙设备只是通信速率有所降低,不会出现链路中断或数据出错的情况。
（3）蓝牙微功率的特性适合在医院场合使用。
众所周知，为了防止电波对医疗仪器的干扰，医院的手术室，重症监护室等场所是严禁使用手机，传呼机等移动通信工具的。
而标准状态下蓝牙的发射功率仅为mW级,大约是手机通话时功率的千分之一,对医疗仪器的干扰微乎其微,也不会对人体健康产生影响。
（4）蓝牙芯片的成本相对较低,且有进一步下降的趋势。
3.1.2应用于无线医疗系统中的蓝牙技术
蓝牙设备工作在2.4GHz的工科医频段（ISM），在大多数国家为2400-2483.5MHz，使用79频道，间隔均为1MHz；采用时分双工（TDD，TimeDivisionDuplex）方式；调制方式为BT=0.5的GFSK，调制指数为0.28--0.35；最大发射功率分为3个等级，分别是：
100mW（20dBm）,2.5mW（4dBm）,在4--20dBm范围内要求采用功率控制。
由此可见，蓝牙考虑的最大通信距离大约为10--100m。
另外，蓝牙的基带符号速率目前为1Mb/s，采用数据包的形式按时传送，每时隙0.625us。
跳频也是蓝牙使用的关键技术之一，对于单时隙包，蓝牙的跳频速率为1600跳/s；对于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时（包括寻呼和查询）则提高为3200跳/s。
如此高的跳频速率，使得Bluetooth系统具有足够高的抗干扰潜力和多址能力。
蓝牙根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线链接。
在一个任意范围内，所有设备的地位都是平等的。
首先提出通信要求的设备称为主设备（Master），被动进行通信的设备 称为从设备（Slave）。
得用时分多址（TDMA），一个主设备最多可同时与7个从设备进行通信并和多个从设备（最多可超过200个）保持同步但不通信。
一个主设备和一个以上的从设备构成的网络称为微微网络（Piconet）.若2个以上的微微网络之间存在着设备间的通信，则构成了蓝牙的分散网络（Scatternet）。
基于TDMA原理和蓝牙设备的平等性，任一蓝牙设备在微微网络和分散网络中，既可作为主设备以可作为从设备，还可同时既是主设备又是从设备。
所以，他是典型的无中心网络，具有自然灵活的组网方式。
3.1.3系统设计与实现
（1）系统结构
本监护系统由有线网络（局域网）和无线网络（蓝牙微微网）2部公组成，如图7所示。
患者身上佩戴的蓝牙终端与邻近的蓝牙接入点建立无线链路和逻辑连接，将采集到的生理信息数据（体温，脉搏，血压等）发关到AP。
AP再通过医院的局域网，将数据转发到监护服务器上，由服务器端的软件对数据进行分析和处理。
下面着重介绍蓝牙终端和接入点的设计与实现。
图7蓝牙无线医疗监察院护系统结构
（2）蓝牙终端
蓝牙终端的设计思想是依据蓝牙协议中的串口应用模型（SPP,SerialPortProfile）,实现对传统串行电缆的替代.为了尽量减少对原先数据采集设备的改动,我们选用CSR（CambridgeSiliconRadio）公司的BlueCore2蓝牙模块。
此模块包含了蓝牙射频和基带处理部分，同时还集成了一个16b微处理器和一定数量的Flash，可以运行内嵌的蓝牙协议和用户编制的上层应用程序。
模块提供了标准的UART，USB，PIO，PCM接口和编程接口。
蓝牙模块和负责数据库采集的单片机之间通过UART口连接，上电后蓝牙模块会自动搜索附近的AP并与之建链,建链完成后就可以进行透明的数据传输.数据采集端的
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